Die Spektroskopie hält immer mehr Einzug in die Produktion. Wenn es um den erkenntnisreichen und vor allem um den schnellen Blick in den Prozess geht, fällt häufig die Wahl auf die Nahinfrarot-Technologie. Fast täglich steigt die Zahl der Anwendungen. Für eine Prozessverbesserung ist dabei die Adaption an den Prozess von zentraler Bedeutung.

Ein Newcomer ist die Nahinfrarot (NIR)-Spektroskopie in der Online-Analytik nicht, immerhin wurde sie bereits in den 70ern - zwar zunächst noch offline - in der landwirtschaftlichen Produktions- und Qualitätskontrolle eingesetzt. Die Prozessindustrie entdeckte sie erst zwanzig Jahre später. Entscheidend war die Entwicklung von leistungsfähigen Spektrometern und vor allem die Fortschritte in der Auswertungssoftware.

Die Vorteile sind vielfältig: Die Methode arbeitet schnell und zerstörungsfrei. Man benötigt keine aufwändige Probenvorbereitung und sie lässt sich inline, also direkt im Prozess, einsetzen. Da sich die Daten mit Hilfe von Glasfaserleitungen über große Distanzen weiterleiten lassen, stellen auch Messungen in explosionsgefährdeten Bereichen kein Problem dar. Und nicht zuletzt gibt es wohl keine Analytik, die so unterschiedliche Parameter zu bestimmen vermag.

Sie kann Materialien identifizieren, Konzentrationen im Prozess analysieren oder Mischverhältnisse aufspüren. „Typischerweise erlaubt die NIR-Technik dem Anwender eine hocheffiziente Analytik bei sehr geringen Betriebskosten,“ zählt Dr. Jörg-Peter Conzen von der Bruker Optik in Ettlingen die Vorteile auf. „Allerdings setzt dies neben einer guten Produktqualität auch eine funktionierende Infrastruktur beim Gerätehersteller voraus.“

Die Branchen, in denen NIR-Spektroskopie eingesetzt wird, um den Produktionsprozess in Echtzeit zu überwachen und zu steuern, sind äußerst vielfältig. Anwendungen in der Chemie sind etwa die Überwachung der Polymerisation, Destillationen oder Polymer-Extrusionen. Selbst in der Pharmaindustrie ist die NIR-Technik mittlerweile zur festen Größe geworden.

Die Anerkennung der NIR-Spektroskopie als mindestens äquivalente Analysemethode zur Chromatographie durch die FDA (American Food and Drug Administration) forcierte deren Einsatz. „Der Spitzenreiter unter den Anwendern der NIR-Technik ist die europäische Pharmaindustrie,“ hält Dr. Arne Zilian, Leiter der Online-Technologien bei der Basler Solvias AG, fest. Hier werden Vorgänge, wie das Mischen, das Trocknen oder die Qualitätskontrolle von überzogenen Tabletten überwacht. Großes Potenzial bietet diese Methode auch bei der Eingangs- und Endkontrolle, beispielsweise, um im Verpackungsbetrieb bereits abgefüllte Produkte zu identifizieren und kontrollieren.

Dabei steigt die Art der Anwendungen fast täglich, wie Zilian berichtet: „Bei Prozessschritten mit heterogenen Medien lassen sich heute Messprobleme lösen, die vor ein paar Jahren noch undenkbar gewesen wären.“ Beispielsweise lassen sich bei der Fermentation die Konzentrationen von mehreren Komponenten in flüssiger Phase bestimmen. Auch die Restfeuchte von organischen Lösemitteln und Wasser kann nun gemessen werden. „Das Licht wird während der Messung stark gestreut und lässt somit keine einfache Transmissionsmessung zu. Hier werden Sonden mit Faserbündeln für diffuse Reflexion eingesetzt,“ erklärt Zilian.

Ein anderes Beispiel stammt aus dem Kunststoff-Recycling. Die zunehmende Produktion elektronischer Geräte erzeugt eine Menge elektronischen Abfalls, der wieder verwertet werden soll. Hierfür ist eine schnelle, robuste und zuverlässige Identifizierungsmethode, die verschiedene Arten von Polymeren unterscheiden kann, gefordert. Typische Materialien für Computergehäuse sind PMMA (Polymethylmethacylate), PVC (Polyvinclchlorid), ABS (Acrylonitril-Butadien-Stryrol-Copolymer), PC (Polycarbonat) und Mischungen von PC/ABS.

Das Identifizierungsproblem löst das Waldbronner Unternehmen Polytec mit der NIR-Spektroskopie. Die Kombination aus einem robusten Monochromator und einem Detektor mit schneller Elektronik erlaubt die Konstruktion von berührungsfrei arbeitenden Online-Identifizierungsgeräten, die an Fließbändern in einer industriellen Umgebung angeschlossen werden können. Das System besteht aus einem schnellen und stabilen PSS NIR-Spektrometer mit einem schnellen InGaAs-Diodenarraydetektor, einer handelsüblichen Halogenlampe als Lichtquelle und einem PC für die Signalverarbeitung. Die Spektren werden in einem Spektralbereich von 800 nm bis 2200 nm aufgenommen.

Wie funktioniert’s?

Die NIR-Spektroskopie beruht auf der Anregung von Molekülschwingungen durch elektromagnetische Strahlung. Der Wellenlängenbereich liegt zwischen dem sichtbaren Licht und der IR-Strahlung. Das NIR-Spektrum einer Substanz ist, ähnlich wie ein Fingerabdruck, zu ihrer Identifikation geeignet. Dazu werden in einer Datenbank hinterlegte Spektren herangezogen und mit mathematischen Verfahren ausgewertet. Was sich einfach anhört, ist in der Praxis relativ schwierig.

Die Kalibration der Spektrometer erfordert nicht nur viel Erfahrung, es muss auch ein beträchtlicher Aufwand betrieben werden, um eine reproduzierbare und hochwertige Analyse zu erhalten. Neben einer leistungsfähigen Software sollte auch die Qualität der Optik und der Mechanik nicht vernachlässigt werden. „Die meisten Applikationen erfordern eine optimale Anpassung an die speziellen Fragestellungen des Kunden,“ macht Conzen den wunden Punkt der NIR-Technik deutlich.

„Wir bieten daher das gesamte Leistungspaket, bestehend aus Hardware, Software, kundenspezifischer Applikation und technischem Service an.“ Wurden Kalibration und Methodenerstellung jedoch erfolgreich gemeistert, stehen dem Anwender viele Möglichkeiten offen. Im Gegensatz zur HPLC oder GC, die vom Anschaffungspreis etwa vergleichbar sind, spart man sich zudem Chemikalien. Gleichzeitig erhält man die Ergebnisse bei der NIR innerhalb weniger Minuten oder noch schneller, bei anderen Verfahren kann dies schon einmal eine halbe Stunde dauern.

Eine weitere Option ist die Diodenarraytechnik: „Die Diodenarray Technik bietet sich für bestimmte Anwendungen geradezu an, z.B. dort wo Geschwindigkeit eine Rolle spielt. Eine Einzelmessung dauert nur wenige Millisekunden, da keine mechanisch bewegten Teile im Spiel sind,“ erklärt Steffen Piecha, Produktmanager bei Tec5 aus Oberursel. „Von Vorteil ist dies etwa, wenn Luftblasen die Messung stören. Dank der die hohen Messfrequenz ist es möglich, einzelne luftblasenbedingte Fehlmessungen direkt zu erkennen und zu eliminieren.“

Hilfestellung beim Einsatz

Gerade weil der Erfolg des NIR-Einsatzes von einer exakten Kalibration abhängt, fühlen sich einige Anwender von dem Aufwand abgeschreckt. Bei diesen und anderen Problemen greift das Basler Unternehmen Solvias, das über langjährige Erfahrungen in der Durchführung von Projekten im Prozess- und Laborbereich verfügt, dem Anwender unter die Arme. Der Vorteil ist, dass das Unternehmen viele Probleme aus erster Hand kennt und damit nicht nur die technische Sicht eines Geräteherstellers inne hat. „Wir übersetzen die Problemstellung des Kunden in eine Lösung mit einem Analysensystem.

Das wird in verschiedene Arbeitsschritte aufgeteilt, wobei die Schnittstelle zwischen uns und dem Kunden jeweils abgesprochen wird,“ beschreibt Zilian die Vorgehensweise. „Am Anfang entwickeln wir mit dem Kunden ein Messkonzept. Die Wahl der Messmethode und der Probenpräsentation wird in einer Machbarkeitsstudie experimentell erhärtet. Das Analysesystem wird dann gemäß vorher abgemachter Analysenperformance kalibriert.“ Danach folgt die Integration in der Anlage, Inbetriebnahme, Schulung und Wartung.

Im Industriealltag erprobt

Die meisten Anbieter der Spektrometer kennen die Prozesswelt und haben dies bei der Entwicklung ihrer Geräte berücksichtigt So zeichnet sich das Matrix-F der Ettlinger Firma Bruker Optik - nach eigenen Angaben der weltweit größte Anbieter von Systemen für die NIR-Analysentechnik - in erster Linie durch seine robuste und modulare Bauform aus, was einen Einsatz auch unter rauen Bedingungen ermöglicht. Das Matrix-F, ist ein kompaktes Spektrometer mit gedichtetem Gehäuse und permanent justierter Optik. Eine Weiterentwicklung ist das Matrix-F duplex, das neben der Verwendung herkömmlicher faseroptischer Sonden und Durchflusszellen die Adaption von Messköpfen für die berührungslose Messung - ideal für die Überwachung von Feststoffprozessen erlaubt.

Bis zu sechs Messköpfe werden einfach und kostengünstig über Lichtleiter mit dem Spektrometer verbunden. Dazu gehören auch intelligente Funktionen, wie die Überprüfung der Geräteparameter und die Online-Kontrolle aller Komponenten. Das Matrix-F duplex und die Spektroskopiesoftware OPUS sind GLP- und 21 CFR part 11-konform. MultiSpec, die modular aufgebaute Gerätefamilie für schnelle, industrielle UV/VIS/NIR - Anwendungen von tec5, wurde ebenfalls um eine interessante Option erweitert: Der Einsatz von UV-sensitiven CCD-Sensoren mit der sogenannten back-thinned/back-illuminated-Technologie bietet extrem hohe Lichtempfindlichkeit verbunden mit einem großen Dynamikbereich.

Dadurch werden neue Anwendungen erschlossen, die mit Photodiodenzeilen - aufgrund der verfügbaren Lichtmenge und/oder der zur Verfügung stehenden Messzeit - bisher nicht realisiert werden konnten. Beispiele dafür sind Fluoreszenzspektroskopie, diffuse Reflexionsspektroskopie oder auch schnelle, hochauflösende industrielle Anwendungen.

MultiSpec Pro, ein besonders für Prozessanwendungen optimiertes Softwarepaket, basiert auf der LabVIEW Programmierumgebung und kann mit zusätzlichen Modulen für z.B. die Chemometrie oder Farbmetrik ausgestattet werden. „Wir trennen die Methodenerstellung, welche ja nur in größeren Zeitabständen erfolgt, und die aktuelle Probenmessung“, führt Piecha aus. „Zur Methodenerstellung nutzt der Kunde ein Chemometriepaket seiner Wahl und übergibt das Modell in die tec5 Software. Diese kann durch den Einsatz entsprechender Online-Predictoren online die einzelnen Messwerte berechnen.“ Der Kunde kann dadurch bereits vorhandene Software und das damit verbundene Know-how nutzen.

Was erwartet der Kunde?

Auf Seite des Kunden sind die Anforderungen in den vergangenen Jahren erheblich gestiegen. Immer mehr Analysen in immer kürzerer Zeit müssen valide Ergebnisse liefern. „Auf Seiten des Gerätelieferanten sehe ich die größte Herausforderung neben dem Bereitstellen kundenspezifischer Problemlösungen darin, dem Kunden eine weltweit verfügbare Infrastruktur anzubieten,“ ergänzt Conzen. „Viele Applikationen erlauben es dem Anwender nicht, bei Problemen lange auf kompetente Hilfe des Geräteherstellers zu warten.“ Wegen des zunehmend stärkeren Kostendrucks sehen sich derzeit viele Hersteller gezwungen, die Anzahl ihrer Applikations- und Service-Spezialisten zu reduzieren.

Dies kann schnell zu Engpässen beim Kunden führen. „Wir hingegen haben unsere Kapazitäten gerade im Bereich NIR in den letzten Jahren stark erweitert. Diese sicherlich nicht geringe Investition wird von unseren Kunden registriert und honorier,“ ist Conzen überzeugt. Auch technologisch ist noch einiges zu erwarten.

„Für uns steht derzeit besonders die Verfügbarkeit und Qualität der Extended NIR Arrays im Vordergrund,“ berichtet Piecha. „Bisher war als Standardprodukt nur ein Spektralbereich bis 1700nm zu bekommen. TEC5 bietet ebenso die Extended InGaAs-Technologie, wodurch ein Spektralbereich bis 2500 nm zur Verfügung steht. „Damit wird die Akzeptanz der Diodenarray Technologie auch im NIR-Bereich weiter steigen. Die Diodenarray Technik bietet eine kostengünstige Alternative bei einfachen Anwendungen,“ hält Piecha
abschließend fest.